Природа надихає – наука втілює
Уявіть, що йдете по вулиці. Ви вдягнені в куртку, на ногах – черевики, в руках – рюкзак. Ймовірність, що хоча б один із цих предметів зроблено із штучної шкіри – дуже висока. Штучну шкіру ще називають синтетичною або екошкірою. Ми звикли до цього матеріалу, адже він є доступною альтернативою натуральній шкірі: дешевший, легший у догляді, більш різноманітний за кольором і текстурою. Найбільшим плюсом, звісно, є збереження життів тварин.
Але, разом з тим, слово «штучна» часто викликає недовіру: щось ненатуральне, значить – шкідливе? Насправді все значно цікавіше й складніше. Тож розберімося разом: що таке синтетична шкіра, як вона виготовляється і чому її не варто боятися.
Основа сучасної синтетичної шкіри – полімери. Це особливі хімічні сполуки, що складаються з дуже довгих ланцюжків однакових або схожих маленьких молекул – мономерів. Якщо порівняти мономери з намистинами, то полімер – це ціле намисто. Завдяки такій будові полімери мають унікальні властивості: вони можуть бути еластичними, міцними, водостійкими та стійкими до температурних змін. До найбільш популярних полімерів, з яких виготовляють штучну шкіру, належать полівінілхлорид (ПВХ) та поліуретан (ПУ). Їх розчиняють у спеціальних розчинниках, отримуючи густу в’язку масу, подібну на рідке тісто.
Такі матеріали активно вивчають студенти в лабораторіях кафедри хімії НаУКМА. Тут полімери не просто абстрактні поняття, а реальні об’єкти досліджень на лабораторних роботах. Можливо, важко уявити, як із рідини можна створити щільний та міцний матеріал, схожий на шкіру. Але саме ця властивість – в’язкість полімерного розчину – дозволяє надати йому потрібної форми та структури.
Пропоную розглянути процес формування штучної шкіри на прикладі приготування пирога:
Етап 1. Приготування "тіста". До в’язкого розчину полімеру додають різні інгредієнти:
- пластифікатори – речовини, що роблять матеріал еластичним;
- стабілізатори – захищають від руйнування під дією світла та температури;
- барвники – надають потрібного забарвлення;
- антипірени – підвищують вогнестійкість;
- терморегулятори – контролюють поведінку матеріалу під час нагрівання.
Цей етап дуже нагадує одну з лабораторних робіт, яку ми виконуємо разом із студентами. І хоча ми формуємо не штучну шкіру, а мембрани – сам принцип підбору компонентів для досягнення потрібних властивостей – залишається незмінним.
Етап 2. Формування пирога. Як на пергаментний папір наливається тісто, так на спеціальну підкладку наносять рівномірний шар полімерного "тіста".
Етап 3. Запікання. Заготовку пропускають через піч, де відбувається гелеутворення в процесі термічної обробки: полімери частково тверднуть, створюючи однорідну поверхню.
І саме в цей момент – коли на очах утворюється пружна плівка – у багатьох студентів уперше виникає відчуття «живої хімії». Те, що було формулами в зошиті, раптом стає матеріалом, який можна помацати.
Етап 4. Додавання «начинки». Ще теплий шар полімеру після запікання приклеюють до тканинної основи (це може бути натуральна бавовна, синтетичні поліестерові тканини, абощо). Тип тканинної основи залежить від планів на подальше застосування. Тканинна підкладка робить штучну шкіру міцною, стійкою до розтягування та зношування.
Етап 5. Охолодження та виймання з форми. Коли готовий матеріал охолоне, його відділяють від основи (пергаментного паперу) – і отримують готову синтетичну шкіру. Її можна обрізати, витискати, лакувати, імітувати текстуру справжньої шкіри, формувати готові вироби, тощо.
Вироби, виготовлені із одержаної таким чином синтетичної шкіри мають багато переваг. По-перше, такі речі зносостійкі – вони у середньому витримують більше навантажень, ніж вироби з натуральної шкіри. По-друге, виробництво штучної шкіри є дешевшим та етичним, бо виготовлення штучної шкіри не пов’язане з жорстоким поводженням з тваринами. Також, деякі види штучної шкіри є морозостійкими, тому не втрачають гнучкість навіть за -30 °C.
Звісно, варто згадати й про недоліки, яких штучна шкіра не позбавлена. Так, вона менш повітропроникна, тому в спекотну погоду одяг, виготовлений зі штучної шкіри, може «парити». Виробництво вимагає суворого контролю за умовами та екологічністю, бо індивідуально кожен із компонентів «тіста» може бути небезпечним для довкілля. Однак, не варто впадати в паніку. В процесі виготовлення штучної шкіри відбуваються хімічні реакції, в результаті яких небезпечні речовини втрачають свою токсичність. Також, нагальною проблемою нині є переробка відходів і, на жаль, не всі види синтетичної шкіри легко утилізувати. Саме тому питання екологічності та безпеки є важливою темою для сучасних досліджень. Наприклад, у курсах та наукових роботах студенти-хіміки НаУКМА часто аналізують та розробляють методи очищення води від забруднень, способи покращення виробництв з метою зменшення кількості відходів, або як забезпечити утилізацію відходів без шкоди для природи.
Через потенційну небезпеку багато хто з нас підсвідомо боїться всього, що пов’язане з хімією. Але насправді все залежить від того, як і з якою метою її використовують. Сучасна хімія – це не лише "небезпечні реактиви", а й потужний інструмент, що дозволяє створювати матеріали, здатні полегшувати життя мільйонів людей. Синтетична шкіра – один із таких прикладів. Її можна зробити нетоксичною, міцною, довговічною й навіть біорозкладною – усе залежить від технологій і умов виробництва. А головне – її використання зменшує кількість тварин, яких вбивають заради моди.
Для любителів експериментів – пропоную рецепт виготовлення їстівної синтетичної тканини, схожої на шовк. Це справжня лабораторія вдома (або кулінарна версія хімії матеріалів).
Для приготування вам знадобиться:
- Желатин – 30 г;
- Вода – 60 г;
- Білий шоколад (якщо ви хочете білу тканину) – 30 г;
- Харчовий гліцерин – 8 г;
- Харчові барвники або кондитерський кандурин для надання бажаного кольору тканині.
Першим етапом є підготовка желатину – саме він утворює основну полімерну сітку майбутнього матеріалу. Для цього необхідно залити желатин холодною водою і залишити на 10–15 хвилин для набрякання. Цей процес дозволяє желатиновим гранулам увібрати вологу та рівномірно розподілитися в суміші.
Далі слід перейти до розтоплення желатину та шоколаду. Для цього можна використати водяну баню або мікрохвильову піч, нагріваючи суміш короткими інтервалами по 10 секунд. Дуже важливо не доводити желатин до кипіння, адже за високої температури його білкові ланцюги руйнуються і він втрачає здатність утворювати гель. Температура желатину та шоколаду після розтоплення має бути приблизно 40 °C – це коли рідина на дотик ледь тепла, але не гаряча.
Після розчинення та змішування желатину та шоколаду, до суміші додати гліцерин – компонент, який діє як пластифікатор, тобто робить матеріал м’якшим та еластичнішим. За бажанням можна додати харчовий барвник, щоб надати матеріалу кольору.
Отриману суміш обережно вилити на силіконовий килимок або харчову плівку, попередньо розстелену на рівній поверхні. За допомогою шпателя або ложки суміш розподілити тонким та, бажано, рівномірним шаром – саме так формується майбутня «полімерна плівка».
Останній крок – стабілізація. Залиште заготовку на 10–12 годин (можна залишити як за кімнатної температури, так і поставити в холодильник), щоб желатинова сітка мала змогу зміцніти. За бажанням, поверхню готової тканини можна присипати сухим кандурином – спеціальним харчовим блиском, який зменшує липкість і надає «шкірі» ніжного шовкового блиску.
Усе готується просто, але вимагає точності – як і справжній хімічний експеримент. І хоч це гра, вона пробуджує цікавість – ту саму, що привела багатьох студентів до хімічних лабораторій.
Через потенційну небезпеку багато хто підсвідомо боїться всього, що пов’язане з хімією. Але варто хоча б раз побачити, як у пробірці щось змінюється на очах – і ця наука вже не здається ворожою. Такі «моменти захоплення» знайомі кожному, хто хоча б раз брав участь у лабораторних заняттях на кафедрі хімії НаУКМА.
Сучасна хімія – це не лише про токсичні і шкідливі речовини, а передусім про інтелектуальний виклик, творчість і пошуки рішень, спрямованих на збереження планети. Синтетичну шкіру вже сьогодні можна зробити нетоксичною, довговічною, біорозкладною – усе залежить від підходу. Сподіваюся, що наступного разу, проходячи повз університетські корпуси, де світяться вікна навіть увечері, ви згадаєте, що саме в лабораторіях народжуються технології майбутнього, за якими стоїть цілий світ науки, досліджень і творчості.
Аліна Сікач, аспірантка кафедри хімії Національного університету «Києво-Могилянська Академія»
Засновник та видавець